CN105954726A - 基于gpu的无极缩放的多雷达站雷达视频绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于GPU的无极缩放的多雷达站雷达视频绘制方法，包括步骤为：建立方位线起止位置查找表；B显图像建立；B显图像更新和雷达视频绘制及显示等。采用上述方法后，能将接收到的雷达视频数据绘制为B显图像后，根据预先计算好的各方位线的起始位置和终点位置，对图像进行拉伸变换后，由GPU的并行化多线程完成采样点的坐标变换和采样点周围的空隙填充，并将其绘制到窗口上，使雷达视频显示在保证绘制精度与采样精度一致的前提下兼具有高效率和平滑连续的特点，实现雷达视频的无极缩放。另外，上述绘制方法由显卡支持的跨平台的通用图形接口实现，从而保证了绘制方法的通用性和可移植性，同时能保证在不同平台下绘制效果的一致性。

Description

基于GPU的无极缩放的多雷达站雷达视频绘制方法

技术领域

本发明涉及VTS系统用的一种视频绘制方法，特别是一种基于GPU的无极缩放的多雷达站雷达视频绘制方法。

背景技术

对于一般的使用要求，单部雷达的同一条方位线上相邻的两个采样点之间最小为7.5米，一般单条方位线上采样点数量为3980，方位上的量化数量为4096。上述参数表示的是在以雷达站中心为圆心，7.5*3980米(约30千米)为半径的圆内，从正北开始，每隔(360/4096)度的角度划分一条方位线，在每条方位线上划分3980个采样点。如此，对于每部雷达需要绘制16302080个采样点，并将采样点周围的空隙填充起来，以此防止目标的断裂。对于六座雷达站来说，则需要绘制97812480个采样点。在一些系统的实际使用中，例如VTS系统，需要将多部雷达的视频显示在同甚至多个窗口中，随着需要显示的雷达站数量的增多，利用传统的采用CPU绘制绘制海量采样点来显示雷达视频的方法很难满足实际应用的要求。

传统的采用CPU绘制雷达视频方案中存在的问题如下：

1.为了使操作者能直观地获取雷达站的回波信息，需要将各采样点的强度转换为可见的颜色信息，一般情况下，为了区分不同的雷达站之间的回波或者实现雷达的余晖效果，需要将不同的雷达站的视频绘制成不同的颜色。随着雷达站数量的增多，需要处理的采样点数量也随之上升，采用CPU线性执行采样点的处理很难满足实时性要求。

2.各雷达站传来的数据格式是分不同的方位线传来的，为了让人们更直观地观察雷达视频，需要将送来的雷达视频数据用P显进行显示，因此对所有的点进行坐标转换。为了加快坐标系转换速度，一般需要建立直角坐标系与极坐标系之间转换的查找表，而查找表往往需要占用大量的内存空间，使得对显示多雷达站视频的计算机硬件有较高的要求。

另外，建立了用于坐标转换的查找表后，一般的多雷达站视频显示系统需要支持多个的窗口显示，多个窗口的绘制任务交给CPU会极大地影响计算机的表现效果。

3.采样点仅表示一个孤立的点，距离雷达站中心较远的采样点之间相距距离较大，或者当需要对局部的视频进行放大显示时，采样点之间均会出现间隙。此时，需要将采样点周围的空隙填充起来，保证相邻采样点之间的连续性，防止在图像上出现断裂并实现无极缩放，采用CPU执行填充需要耗费大量的执行时间。

因此，急需一种能够应用于多雷达站雷达视频显示系统的雷达视频绘制方法，在保证绘制精度与采样精度一致的前提下，同时提高雷达视频绘制的效率，绘制出连续的、能够进行 无极缩放的并且满足实时性要求的雷达视频。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于GPU的无极缩放的多雷达站雷达视频绘制方法，该基于GPU的无极缩放的多雷达站雷达视频绘制方法能解决多雷达站雷达视频显示中使用中央处理器CPU直接绘制雷达原始视频时，效率低、可靠性不高的技术问题，能将接收到的雷达视频数据绘制为B显图像后，根据预先计算好的各方位线的起始位置和终点位置，对图像进行拉伸变换后，由GPU的并行化多线程完成采样点的坐标变换和采样点周围的空隙的填充，并将其绘制到窗口上，使多雷达视频显示系统的雷达视频显示在保证绘制精度与采样精度一致的前提下兼具有高效率和平滑连续的特点，能够实现雷达视频的无极缩放。另外，上述绘制方法由显卡支持的跨平台的通用图形接口实现，从而保证了绘制方法的通用性和可移植性，同时可以保证在不同平台下绘制效果的一致性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于GPU的无极缩放的多雷达站雷达视频绘制方法，包括如下步骤：

步骤1，建立方位线起止位置查找表：计算各雷达站中各方位线的起止位置，在GPU中为每个雷达站的各条方位线建立方位线起止位置查找表；也即建立各雷达站中各方位线起始位置与方位线编号的映射关系，便于根据方位线编号快速确定方位线的起始位置。

步骤2，B显图像建立：采用GPU的通用图形接口将采样点的信息转换为B显中像素的特征信息，在GPU中为各雷达站建立B显图像，B显图像中的每一个像素点均表示一个采样点。

步骤3，B显图像更新：在系统运行期间，以雷达采样周期的正整数公约数为控制周期，更新B显图像。

步骤4，雷达视频绘制及显示：依据步骤1中建立的方位线起止位置查找表，计算方位线中间各点的位置并进行排布；排布完成后，对步骤3中更新的B显图像进行拉伸变换；接着，由GPU的并行化多线程完成采样点的坐标变换和采样点周围的间隙填充，并将其绘制到窗口上，使雷达视频显示在多雷达视频显示系统上。

所述步骤4中，采样点坐标转换的步骤如下：

第一步，P显图像中方位线起始位置的建立：依据步骤1中建立的方位线起止位置查找表，查找各方位线的起始位置，将B显图像中各方位线的起始点移动到P显图像中该方位线的起始位置。

第二步，P显图像中方位线结束位置的建立：依据步骤1中建立的方位线起止位置查找 表，查找各方位线的结束位置，将B显图像中各方位线的结束点移动到P显图像中该方位线的结束位置。

第三步，根据第一步和第二步确定的方位线方向和距离，同时根据采样点的数量，分配GPU中执行坐标转换的线程，并将位于同一条方位线上所有的中间采样点等距排布。

第四步，重复第一步至第三步，直至显示窗口区域内所有的采样点均排布完毕。

所述第三步中，需要对采样点进行裁剪；裁剪方法为：将需要显示的采样点绘制到窗口区域的像素点上，否则丢弃不做处理；P显图像中处于显示窗口区域内的采样点才进行绘制，否则不绘制。

所述步骤4中，采用插值或用距离最近采样点的强度值进行采样点周围的间隙填充。

所述步骤2中，在B显图像建立之前，先用不同的颜色区分不同的雷达站，用颜色的强弱来表示采样点回波的强弱。

所述步骤2中，B显图像中每个像素均采用32位二进制表示，每八位为一个单位，分别表示对应像素点的RGBA值。

所述步骤3中，B显图像中与采样点一一对应的像素点的RGBA值确定方法如下：

其中Q>0

上式中，Q表示任意采样点回波的强度值；Q_max表示采样点回波强度的最大值。

所述步骤3中，当B显图像更新后，采样点无回波，当需实现余晖效果时，则按照上一周期对应采样点的回波强度值衰减后，对该对该采样点对应的像素点进行绘制，该采样点对应的像素点的RGBA值如下：

其中(Q_pre-ΔQ)>0，否则

上式中，Q_pre表示上一周期对应采样点的回波强度值；Q_max表示采样点回波强度的最大值；ΔQ表示经过一个扫描周期后，当前采样点的回波强度值衰减的数值。

所述步骤3中，雷达采样周期的正整数公约数为1秒或2秒。

本发明采用上述方法后，利用GPU的多线程并行特性，将接收到的雷达视频数据绘制成B显图像，根据预先计算好的各方位线的起始位置和终点位置，以及根据各采样点的强度值决定图像中各像素点的特征信息，由GPU完成B显图像的拉伸变换裁剪、采样点的坐标变换和采样点之间的间隙填充。在绘制过程中由GPU完成坐标转换和间隙填充，无需建立占用大量内存的查找表，大大减轻了计算机CPU的工作负担。

同时，本发明使多雷达视频显示系统的雷达视频显示在保证绘制精度与采样精度一致的前提下，还兼具有绘制效率高，雷达视频平滑、没有相邻采样点断开现象出现，能够方便实现雷达视频的无极缩放。

另外，上述绘制方法由显卡支持的跨平台的通用图形接口实现，从而保证了绘制方法的通用性和可移植性，同时能够保证在不同平台下绘制效果的一致性。

附图说明

图1显示了本发明基于GPU的无极缩放的多雷达站雷达视频绘制方法的流程示意图。

图2显示了B显图像的示意图。

图3显示了拉伸后的P显图像。

图4显示了显示窗口与P显图像的关系。

图5显示了采样点周围的间隙未填充时的像素图。

图6显示了采样点周围的间隙填充后的像素图。

图中有：1.方位线起始位置；2.方位线；3.方位线结束位置；4.方位线中间采样点；5.雷达中心；6.P显图像；7.显示窗口。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种基于GPU的无极缩放的多雷达站雷达视频绘制方法，主要包括如下四个步骤。

步骤1，建立方位线起止位置查找表：计算各雷达站中各方位线的起止位置，在GPU中为每个雷达站的各条方位线建立方位线起止位置查找表；也即建立各雷达站中各方位线起始位置与方位线编号的映射关系，便于根据方位线编号快速确定方位线的起始位置。

步骤2，B显图像建立：采用GPU的通用图形接口将采样点的信息转换为B显中像素的特征信息，在GPU中为各雷达站建立如图2所示的B显图像，B显图像中的每一个像素点均表示一个采样点。

每部雷达建立一张雷达B显图像，B显图像的大小与雷达站方位线数量以及单条方位线 上的采样点数量相关。对于方位线数量为m、单条方位线上采样点数量为n的雷达站，建立的B显图像大小为m×n，使得B显图像上每个像素点均代表一个采样点，这样能保证视频的显示精度达到原始视频的精度。将各像素点的某一特征值(颜色或强度等)用来表示采样点的信号强度。

对于特定的雷达站，其方位线数量和相对位置都是固定的，以一个采样距离是7.5米、每条方位线上采样点数量是3980个点、方位量化范围是4096的雷达为例。B显图像建立前，对其方位线从0开始编号，依次为1，2，3…4095，计算各方位线的开始位置和结束位置，建立方位线起止位置查找表，即根据方位线编号可以快速查找获得该方位线的开始位置和结束位置，送入GPU中。在GPU中建立大小为4096×3980的B显图像，其中每一个像素点表示一个采样点，这样就建立了B显图像和雷达站采样点之间的对应关系。

另外，该方法基于GPU支持的跨平台的通用图形接口实现(例如OpenGL、Direct3D等)，可以快速移植于不同的平台并且确保了各平台下显示效果的一致性。

一般情况下，我们用不同的颜色区分不同的雷达站，颜色的强弱来表示采样点回波的强弱。B显图像每个像素采用32位二进制表示，每八位为一个单位，分别表示该像素点的RGBA值。

步骤3，B显图像更新：在系统运行期间，以雷达采样周期的正整数公约数为控制周期，更新B显图像。这里，雷达采样周期的正整数公约数通常为1秒或2秒。

此步骤3中，当采用绿色表示回波，蓝色表示余晖，B显图像中与采样点一一对应的像素点的RGBA值确定方法如下：

其中Q>0

上式中，Q表示任意采样点回波的强度值；Q_max表示采样点回波强度的最大值。

当B显图像更新后，采样点无回波，当需实现余晖效果时，则按照上一周期对应采样点的回波强度值衰减后，对该对该采样点对应的像素点进行绘制，该采样点对应的像素点的RGBA值如下：

其中(Q_pre-ΔQ)>0，否则

上式中，Q_pre表示上一周期对应采样点的回波强度值；Q_max表示采样点回波强度的最大值；ΔQ表示经过一个扫描周期后，当前采样点的回波强度值衰减的数值。

根据需要更新的采样点数量，指定显卡采用适当数量的线程对B显图像更新。对于其他的雷达站采用一致的方法进行B显图像的更新。

步骤4，雷达视频绘制及显示：依据步骤1中建立的方位线起止位置查找表，计算方位线中间各点的位置并进行排布；排布完成后，对步骤3中更新的B显图像进行拉伸变换；接着，由GPU的并行化多线程完成采样点的坐标变换和采样点周围的间隙填充，并将其绘制到窗口上，使雷达视频显示在多雷达视频显示系统上。

根据需要显示的P显图像的分辨率，分配线程数量，对窗口图像上采样点之间的间隙上的像素点，通常采用插值或者用距离最近的采样点的强度值进行采样点周围的间隙填充，如图5和图6所示。这样无论显示窗口的缩放比例是多少，都可以保证雷达视频上采样点之间的连续性，即无极缩放。

在图5和图6中，像素a的颜色由距离其最近的采样点A的颜色决定。

同时，由于进行雷达视频绘制时，采样点之间不存在相关性，利用GPU的多线程并行特性，进行高效地雷达视频绘制，满足多雷达站雷达视频显示系统中多窗口多雷达的连续平滑不中断、高效率的实时显示要求，并实现雷达视频的无极缩放。

上述步骤中所述的绘制包含该像素点不存在采样点信息的直接绘制和已存在其他雷达站采样点信息时像素点的Alpha混合绘制。

另外，本步骤4中，采样点坐标转换的步骤如下：

第一步，P显图像中方位线起始位置的建立：依据步骤1中建立的方位线起止位置查找表，查找各方位线的起始位置，将B显图像中各方位线的起始点移动到P显图像中该方位线的起始位置，如图3中所示的方位线起始位置1，也即雷达中心5。

第二步，P显图像中方位线结束位置的建立：依据步骤1中建立的方位线起止位置查找表，查找各方位线的结束位置，将B显图像中各方位线的结束点移动到P显图像中该方位线的结束位置，如图3中所示的方位线结束位置3。

第三步，根据第一步和第二步确定的方位线方向和距离，同时根据采样点的数量，分配GPU中执行坐标转换的线程，并将位于同一条方位线上所有的中间采样点等距排布。

本步骤中，需要对采样点进行裁剪；裁剪方法为：将需要显示的采样点绘制到窗口区域的像素点上，否则丢弃不做处理。如图4所示，P显图像6中处于显示窗口7区域内的采样点才进行绘制，否则不绘制。这样，能减少后期需要处理的数据量。

第四步，重复第一步至第三步，直至显示窗口区域内所有的采样点均排布完毕。

综上所述，本发明的绘制方法所生成的矢量化的雷达视频，用户所见的雷达视频精度与原始视频精度保持一致，在对视频进行缩放时，各采样点之间的间隙均由GPU负责填充，可以保证采样点之间不存在断裂，实现无极缩放，采样点也不会发生丢失，因此本发明设计的雷达视频绘制必然是连续的、精度与原始视频保持一致的。各采样点的坐标转换以及采样点之间的间隙填充则由GPU在图像的拉伸变换时负责完成，采样点绘制时采样点间不存在相关性，绘制时利用GPU的并行执行特性，不同的采样点和像素点绘制时无需相互等待，确保了本发明可以达到极高的绘制效率。采用通用的图形接口进行实现，确保了该方法的可移植性，以及在各平台下一致的显示效果和绘制效率。

所以，本发明所涉及的多雷达站雷达视频绘制方法具有精度高、视频显示连续、算法效率高、可扩充性强、跨平台、可移植性好等优点。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于GPU的无极缩放的多雷达站雷达视频绘制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，建立方位线起止位置查找表：计算各雷达站中各方位线的起止位置，在GPU中为每个雷达站的各条方位线建立方位线起止位置查找表；

步骤2，B显图像建立：采用GPU的通用图形接口将采样点的信息转换为B显中像素的特征信息，在GPU中为各雷达站建立B显图像，B显图像中的每一个像素点均表示一个采样点；

步骤3，B显图像更新：在系统运行期间，以雷达采样周期的正整数公约数为控制周期，更新B显图像；

步骤4，雷达视频绘制及显示：依据步骤1中建立的方位线起止位置查找表，计算方位线中间各点的位置并进行排布；排布完成后，对步骤3中更新的B显图像进行拉伸变换；接着，由GPU的并行化多线程完成采样点的坐标变换和采样点周围的间隙填充，并将其绘制到窗口上，使雷达视频显示在多雷达视频显示系统上。

2.根据权利要求1所述的基于GPU的无极缩放的多雷达站雷达视频绘制方法，其特征在于：所述步骤4中，采样点坐标转换的步骤如下：

第一步，P显图像中方位线起始位置的建立：依据步骤1中建立的方位线起止位置查找表，查找各方位线的起始位置，将B显图像中各方位线的起始点移动到P显图像中该方位线的起始位置；

第二步，P显图像中方位线结束位置的建立：依据步骤1中建立的方位线起止位置查找表，查找各方位线的结束位置，将B显图像中各方位线的结束点移动到P显图像中该方位线的结束位置；

第三步，根据第一步和第二步确定的方位线方向和距离，同时根据采样点的数量，分配GPU中执行坐标转换的线程，并将位于同一条方位线上所有的中间采样点等距排布；

第四步，重复第一步至第三步，直至显示窗口区域内所有的采样点均排布完毕。

3.根据权利要求2所述的基于GPU的无极缩放的多雷达站雷达视频绘制方法，其特征在于：所述第三步中，需要对采样点进行裁剪；裁剪方法为：将需要显示的采样点绘制到窗口区域的像素点上，否则丢弃不做处理；P显图像中处于显示窗口区域内的采样点才进行绘制，否则不绘制。

4.根据权利要求1所述的基于GPU的无极缩放的多雷达站雷达视频绘制方法，其特征在于：所述步骤4中，采用插值或用距离最近采样点的强度值进行采样点周围的间隙填充。

5.根据权利要求1所述的基于GPU的无极缩放的多雷达站雷达视频绘制方法，其特征在于：所述步骤2中，在B显图像建立之前，先用不同的颜色区分不同的雷达站，用颜色的强弱来表示采样点回波的强弱。

6.根据权利要求1所述的基于GPU的无极缩放的多雷达站雷达视频绘制方法，其特征在于：所述步骤2中，B显图像中每个像素均采用32位二进制表示，每八位为一个单位，分别表示对应像素点的RGBA值。

7.根据权利要求6所述的基于GPU的无极缩放的多雷达站雷达视频绘制方法，其特征在于：所述步骤3中，B显图像中与采样点一一对应的像素点的RGBA值确定方法如下：

其中Q>0

上式中，Q表示任意采样点回波的强度值；Q_max表示采样点回波强度的最大值。

8.根据权利要求7所述的基于GPU的无极缩放的多雷达站雷达视频绘制方法，其特征在于：所述步骤3中，当B显图像更新后，采样点无回波，当需实现余晖效果时，则按照上一周期对应采样点的回波强度值衰减后，对该对该采样点对应的像素点进行绘制，该采样点对应的像素点的RGBA值如下：

其中(Q_pre-ΔQ)>0，否则

上式中，Q_pre表示上一周期对应采样点的回波强度值；Q_max表示采样点回波强度的最大值；ΔQ表示经过一个扫描周期后，当前采样点的回波强度值衰减的数值。

9.根据权利要求1所述的基于GPU的无极缩放的多雷达站雷达视频绘制方法，其特征在于：所述步骤3中，雷达采样周期的正整数公约数为1秒或2秒。